CH681840A5 - - Google Patents
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Abstract
Description
1 1
CH 681 840 A5 CH 681 840 A5
2 2nd
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. The invention relates to an electrical machine according to the preamble of the first claim.
Bekanntlich sind elektrische Maschinen dieser Art sowohl als Motoren wie auch als Generatoren einsetzbar. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf beide Bauformen. Wenn sie nachfolgend am Beispiel eines Dynamos erläutert wird, soll damit auf eine bevorzugte Einsatzmöglichkeit hingewiesen werden, die jedoch nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen ist. As is known, electrical machines of this type can be used both as motors and as generators. The present invention relates to both designs. If it is explained below using the example of a dynamo, this is intended to indicate a preferred application, which, however, is not to be understood as a limitation.
Für die Stromversorgung von Fahrradbeleuchtungen sind Dynamos unterschiedlicher Bauart bekannt, wobei der Antrieb meist über ein am Reifen anliegendes Reibrad oder dergleichen erfolgt. Solche Dynamos besitzen in der Regel einen geringen Wirkungsgrad, so dass die erzeugte elektrische Leistung in einem schlechten Verhältnis zum Antriebswiderstand steht. Dynamos of various types are known for the power supply of bicycle lights, the drive mostly being effected by means of a friction wheel or the like resting on the tire. Such dynamos usually have a low efficiency, so that the electrical power generated is poorly related to the drive resistance.
Ein anderer Weg wird bei Radnabendynamos beschritten, bei welchen der Dynamo in der Radnabe untergebracht und über diese angetrieben ist. Hier steht nur ein sehr beschränktes Bauvolumen zur Verfügung, was diese Bauweise bisher relativ teuer und aufwendig erscheinen liess, so dass entsprechende Konstruktionen einen bloss relativ schlechten Wirkungsgrad erreichten. Another path is followed in the case of wheel hub dynamos, in which the dynamo is accommodated in the wheel hub and is driven via this. There is only a very limited amount of space available here, which has made this type of construction appear relatively expensive and time-consuming so that the corresponding constructions only achieved relatively poor efficiency.
Es stellt sich auf diesem Hintergrund die Aufgabe, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sie eine kompakte Bauweise mit einem guten Wirkungsgrad verbindet, ohne dass die Herstellung besonders aufwendig wird, und die sich so insbesondere für den Einbau in einen Radnabendynamo eignet. Against this background, the task arises of designing an electrical machine of the type mentioned at the outset in such a way that it combines a compact design with good efficiency, without the production being particularly complex, and which is particularly suitable for installation in a wheel hub dynamo .
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im ersten Patentanspruch genannten Merkmale. This object is achieved by the features mentioned in the first claim.
Durch die sternförmige Anordnung von achsial ausgerichteten Permanentmagnetstäben kann bei kleinem Magnetvolumen und kleinem Bauvolumen ein homogenes Magnetfeld erzeugt werden, das mit geringen Magnetverlusten arbeitet. Die Spulenanordnung erlaubt es, auf Schleifkontakte zu verzichten, so dass keine entsprechenden Spannungsverluste auftreten. Due to the star-shaped arrangement of axially aligned permanent magnet rods, a homogeneous magnetic field can be generated with a small magnet volume and a small construction volume, which works with low magnet losses. The coil arrangement makes it possible to dispense with sliding contacts, so that no corresponding voltage losses occur.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der erfin-dungsgemässen Konstruktion ergeben sich aus der Beschreibung eines Radnabendynamos als Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen: Further properties and advantages of the construction according to the invention result from the description of a wheel hub dynamo as an exemplary embodiment. The figures show:
Fig. 1 eine Schnittansicht des Radnabendynamos entlang der Radachse; Figure 1 is a sectional view of the hub dynamo along the wheel axis.
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 is a sectional view along the line II-II in FIG. 1.
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Spulenanordnung und der Magnetanordnung mit 8 Stabmagneten in Abwicklung; Figure 3 is a schematic representation of the coil arrangement and the magnet arrangement with 8 bar magnets in development.
Fig. 4 ein der Fig. 3 entsprechendes Spannungszeit-Diagramm, und FIG. 4 shows a voltage-time diagram corresponding to FIG. 3, and
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Folie mit gedruckten Leitern der Spulenanordnung. Fig. 5 is a schematic sectional view through a film with printed conductors of the coil arrangement.
Der Radnabendynamo im vorliegenden Ausführungsbeispiel sitzt auf einer Radachse 1, die in bekannter Weise an der Gabel 2, 2' eines Fahrrades befestigt ist. Ein Nabenkörper 3, an welchem die Radspeichen befestigt sind, ist mittels Lagern 4 drehbar auf der Radachse 1 gelagert. Innerhalb des Nabenkörpers 3 und durch diesen gegen aussen geschützt, ist auf der Radachse eine hülsenförmig gewickelte, stillstehende Spulenanordnung 5 vorgesehen, welche in einen stabilen Rückschlussring 6 aus Metall eingeschoben ist. Dazwischen ist eine Isolationsfolie angeordnet, welche einen Kurz-schluss der Spule 5 über den Rückschlussring 6 ausschliesst. Der Rückschlussring ist als Blechpaket aus Fe-Ringen aufgebaut. Die von benachbarten Polen ausgehenden Magnetfeldlinien verlaufen aussen durch diesen Rückschlussring. Neben seinen magnetischen Funktionen bewirkt der formstabile Rückschlussring eine exakte Zentrierung der Spule 6 und stellt ausserdem eine gute Wärmeabführung aus der Spule sicher. Der Luftspalt zwischen der Spule 6 und einem innerhalb der Spule angeordneten Magnetrotor 7 kann damit bei kleinen Toleranzen minimal gehalten werden. Die stehende Anordnung der Spule 6 erlaubt eine direkte elektrische Verbindung mit Anschlussleitungen 17, weiche durch die Radachse 1 nach aussen geführt sind. The wheel hub dynamo in the present exemplary embodiment sits on a wheel axle 1, which is fastened in a known manner to the fork 2, 2 'of a bicycle. A hub body 3, to which the wheel spokes are attached, is rotatably mounted on the wheel axle 1 by means of bearings 4. Within the hub body 3 and protected from the outside, a stationary coil arrangement 5, which is wound in the form of a sleeve, is provided on the wheel axle and is inserted into a stable yoke ring 6 made of metal. An insulation film is arranged in between, which excludes a short circuit of the coil 5 via the return ring 6. The yoke ring is constructed as a sheet metal package from Fe rings. The magnetic field lines from neighboring poles run through this return ring. In addition to its magnetic functions, the dimensionally stable yoke ring ensures exact centering of the coil 6 and also ensures good heat dissipation from the coil. The air gap between the coil 6 and a magnetic rotor 7 arranged inside the coil can thus be kept to a minimum with small tolerances. The standing arrangement of the coil 6 allows a direct electrical connection to connecting lines 17, which are guided through the wheel axle 1 to the outside.
Der Magnetrotor 7, dessen Aufbau insbesondere durch Vergleich der Fig. 1 und 2 deutlich wird, besitzt mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel acht, Stabmagnete 8, aus Material mit hoher magnetischer Dichte in der Grössenordnung von 200 KJ/m3, die achsial ausgerichtet und bezüglich der Achse sternförmig mit abwechselnd nach aussen weisenden Nord- und Südpolen angeordnet sind. Die Stabmagnete 8 sind dabei an einem Trägerteil 9 aus Eisen befestigt, über den der innere Magnetkreis zwischen den Nord- bzw. Südpolen der benachbarten Stabmagnete 8 geschlossen wird. Vorzugsweise sind die Magnete in achsiale Nuten am Trägerteil 9 eingeklebt. The magnet rotor 7, the structure of which is particularly clear by comparing FIGS. 1 and 2, has several, in this exemplary embodiment eight, bar magnets 8, made of material with a high magnetic density in the order of magnitude of 200 KJ / m3, which are aligned axially and with respect to the Axis are arranged in a star shape with alternating north and south poles facing outwards. The bar magnets 8 are fastened to a support part 9 made of iron, via which the inner magnetic circuit between the north and south poles of the adjacent bar magnets 8 is closed. The magnets are preferably glued into axial grooves on the carrier part 9.
Die sternförmige Anordnung der achsial ausgerichteten Stabmagnete 8 erfolgt so, dass die Permanentmagnetstäbe in Radialrichtung magnetisiert sind, so dass ihre inneren bzw. äusseren Enden abwechselnd Nord- und Südpoie bilden. Die Anzahl der Magnete, d.h. die Polzahl, liegt vorzugsweise zwischen sechs und zehn. Diese Magnetanordnung führt zu einem homogenen Magnetfeld im Bereich der Spule mit geringen Magnetverlusten. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann das Magnetvolumen klein gehalten werden, was sich kostensenkend auswirkt. The star-shaped arrangement of the axially aligned bar magnets 8 is such that the permanent magnet bars are magnetized in the radial direction, so that their inner and outer ends alternately form north and south poie. The number of magnets, i.e. the number of poles is preferably between six and ten. This magnet arrangement leads to a homogeneous magnetic field in the area of the coil with low magnetic losses. As can be seen from FIG. 2, the magnet volume can be kept small, which has a cost-reducing effect.
Es tritt mit oder ohne Stromabgabe keine Polfüh-ligkeit und im Leerlauf ein sehr geringer Drehwiderstand auf. With or without power supply, there is no pole sensitivity and there is very little rotational resistance when idling.
Aus Fig. 3 ist die Spulenanordnung 5 in Abwicklung zusammen mit der ebenfalls abgewickelten Magnetanordnung 7 ersichtlich, welche man sich übereinander liegend und gemäss Fig. 2 aufgewickelt vorzustellen hat. Die Spulenanordnung 5 weist eine gedruckte Leiterbahn 21 mit Leitern h bis Is auf der Oberseite sowie gedruckte Leiterbahnen 21 ' mit Leitern h' bis I5' auf der Unterseite einer Folie 20 auf, wie in Fig. 5 ersichtlich. Die Leiterbahnen sind mäan-derförmig so angeordnet, dass sie jeweils die Magnetfeldlinien, die etwa radial von den Permanent5 3 shows the coil arrangement 5 in development together with the likewise unwound magnet arrangement 7, which one has to imagine lying on top of one another and wound up according to FIG. 2. The coil arrangement 5 has a printed conductor track 21 with conductors h to Is on the top and printed conductor tracks 21 'with conductors h' to I5 'on the underside of a film 20, as can be seen in FIG. 5. The conductor tracks are arranged in a meandering shape so that they each have the magnetic field lines that are approximately radial from the permanent 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
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45 45
50 50
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3 3rd
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4 4th
magnetstäben 8 ausgehen senkrecht schneiden. Die vorder- bzw. rückseitig auf der Foiie angeordneten Leiterbahnen sind so gegeneinander versetzt, dass die darin erzeugten Spannungen Ui und Ua um 90° phasenverschoben sind, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Nach der Gleichrichtung entsteht so durch Überlagerung eine Gleichspannung relativ geringer Welligkeit. cut out magnetic rods 8 cut vertically. The conductor tracks arranged on the front or rear of the foil are offset from one another in such a way that the voltages Ui and Ua generated therein are out of phase by 90 °, as can be seen from FIG. 4. After rectification, a DC voltage of relatively low ripple is created by superimposition.
Die Leiterbahnen sind an ihren Enden so miteinander verbunden, dass die Leiter h bis I5 bzw. die Leiter h' bis I5' in Serie liegen. The conductor tracks are connected to one another at their ends such that the conductors h to I5 or the conductors h 'to I5' are in series.
Bezeichnet man die Zahl der Leiter pro Leiterbahn mit n, die Polzahl mit Z und die Anzahl Wicklungen der Folie 20 mit W, so ergibt sich eine wirksame Windungszahl von n.Z.W für jede Leiterbahn 21 bzw. 21'. Ist z.B. n = 5, Z = 8 und W = 10, so ist die Windungszahl 400. Wie leicht ersichtlich ist, kann die Windungszahl durch die Änderung der erwähnten Grössen leicht beeinflusst werden. If one designates the number of conductors per conductor track with n, the number of poles with Z and the number of windings of the film 20 with W, the result is an effective number of turns of n.Z.W for each conductor track 21 or 21 '. Is e.g. n = 5, Z = 8 and W = 10, the number of turns is 400. As can easily be seen, the number of turns can easily be influenced by changing the sizes mentioned.
Wie bereits eingangs erwähnt, wird die aufgewickelte Folie 20 im metallischen Rückschlussring 6 angeordnet, womit ihre koaxiale Form und Zentrierung sichergestellt ist. As already mentioned at the beginning, the wound film 20 is arranged in the metallic yoke ring 6, which ensures its coaxial shape and centering.
Der Magnetrotor wird im Falle des Radnabendynamos über ein Getriebe 12 durch die Rad- bzw. Nabendrehung angetrieben. Als Getriebe wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich, vorzugsweise ein Planetenradge-triebe verwendet, das seitlich dem Magnetrotor 7 angeordnet ist. Das Planetenradgetriebe 12 verbindet den Nabenkörper 3 mit einem auf der Radachse 1 sitzenden Kupplungsglied 13 und besitzt vorzugsweise einen Übersetzungsfaktor von mehr als 10. Das sich auf der Radachse 1 drehende Kupplungsglied 13 wird durch eine Feder 16 in Reibverbindung mit dem Magnetrotor 7 gebracht und ist mittels einer von aussen durch die Radachse betätigbaren Zuschaltmechanik 14 über einen Kabelzug 15 auskuppelbar. Der Kabelzug 15 erlaubt eine Fernbedienung der Zu- bzw. Abschaltung des Radnabendynamos. Im abgeschalteten Zustand ist der Magnetrotor 7 vom Antrieb abgekuppelt und steht gegenüber der Spulenanordnung 5 still. Im Falle des gezeigten Radnabendynamos sind innerhalb des Nabenkörpers 3 auf der stillstehenden Achse 1 elektrische Schaltelemente 22 auf einer Leiterplatte 23 angeordnet. Diese sind dafür vorgesehen, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom so zu wandeln, bzw. zu begrenzen, dass sie den gesetzlichen Werten entsprechen, welche für Fahrraddynamos vorgesehen sind. Mittels einer Drosselspule wird die an sich fast lineare Geschwindigkeits-Span-nungs-Kennlinie des Dynamos bei höheren Geschwindigkeiten abgeflacht. Eine Zenerdiode sorgt dafür, dass die zulässige Höchstspannung von 7 V nicht überschritten wird. Statt dessen kann auch eine entsprechende elektronische Ausgangsspannungsregelung vorgesehen sein, deren Schaltelemente auf der Leiterplatte 23 angeordnet sind. Der beschriebene Dynamo kann also anstelle eines herkömmlichen Dynamos mit konventionellen Fahrrad-Lichtanlagen eingesetzt werden, wenn auch mit merklich besserem Wirkungsgrad. In the case of the wheel hub dynamo, the magnet rotor is driven via a gear 12 by the wheel or hub rotation. As can be seen from FIG. 1, a planetary gear is preferably used as the gear, which is arranged on the side of the magnet rotor 7. The planetary gear 12 connects the hub body 3 to a coupling member 13 seated on the wheel axle 1 and preferably has a transmission factor of more than 10. The coupling member 13 rotating on the wheel axle 1 is brought into frictional connection with the magnet rotor 7 by a spring 16 and is by means of a connection mechanism 14, which can be actuated from the outside by the wheel axle, can be disengaged via a cable pull 15. The cable pull 15 allows remote control of the connection and disconnection of the wheel hub dynamo. In the switched-off state, the magnet rotor 7 is uncoupled from the drive and is stationary with respect to the coil arrangement 5. In the case of the wheel hub dynamos shown, electrical switching elements 22 are arranged on a circuit board 23 within the hub body 3 on the stationary axis 1. These are intended to convert or limit the output voltage and the output current so that they correspond to the legal values provided for bicycle dynamos. The almost linear speed-voltage characteristic of the dynamo is flattened at higher speeds by means of a choke coil. A zener diode ensures that the permissible maximum voltage of 7 V is not exceeded. Instead, a corresponding electronic output voltage control can also be provided, the switching elements of which are arranged on the printed circuit board 23. The described dynamo can therefore be used instead of a conventional dynamo with conventional bicycle lighting systems, albeit with noticeably better efficiency.
Die so aufgebaute elektrische Maschine hat in angeschaltetem Zustand einen mechanischen Wirkungsgrad von etwa 0.7 und einen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 0.8, was einen Gesamtwirkungsgrad von über 0.5 ergibt. Schon bei einer Fahrgeschwindigkeit eines Fahrrades von 5 km/h (d.h. bei Schrittempo) erzeugt sie eine Spannung von 3.0 V bei 25 HZ, was eine vorschriftmässige Beleuchtung auch bei kleinen Geschwindigkeiten gestattet. Die beschriebene elektrische Maschine eignet sich deshalb insbesondere für die Lichterzeugung an Fahrrädern. Sie kann zur Speisung einer Fahrradelektronik dienen, welche auch eine Standlichtautomatik einschliesst. The electrical machine constructed in this way has a mechanical efficiency of about 0.7 and an electrical efficiency of about 0.8 when switched on, which results in a total efficiency of over 0.5. Already at a driving speed of 5 km / h (i.e. at walking pace), it generates a voltage of 3.0 V at 25 Hz, which allows for proper lighting even at low speeds. The electrical machine described is therefore particularly suitable for generating light on bicycles. It can be used to power bicycle electronics, which also include automatic parking lights.
Andere Anwendungen als Generator oder elektrischer Antrieb können in analoger Weise vorgesehen sein, wobei natürlich die Ansteuerung und der mechanische Aufbau im Rahmen der Erfindung der jeweiligen Anwendung anzupassen ist. Applications other than a generator or an electric drive can be provided in an analogous manner, the control and the mechanical structure, of course, being adapted to the respective application within the scope of the invention.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PUE | Assignment |
Owner name: VEREINIGTE DRAHTWERKE A.G. TRANSFER- BISY BIKE-SYS |
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| PL | Patent ceased |